QUESTÕES INICIAIS
Problematizações para serem discutidas após o vídeo 1: Um cientista, uma história| Episódio 12: César Lattes, com duração de 4min 54s.
1. Por que Lattes utilizou chapas fotográficas especiais (emulsões nucleares) para detectar os traços das partículas subatômicas?
2. O vídeo afirma que Lattes combinou com um italiano e um inglês um experimento que consistia em escalar montanhas para detectar partículas subatômicas produzidas no choque dos raios cósmicos com átomos existentes na atmosfera.
Mas por que Lattes queria detectar partículas subatômicas? Por qual razão ele decidiu escalar montanhas?
3. O que é o méson π citado no vídeo? Qual função ele desempenha no núcleo atômico?
4. Lattes ficou famoso por ter detectado o méson π, mas quem sugeriu a existência dessa partícula? Qual a relevância desse feito que contribuiu para a fama internacional de Lattes?
TEXTO 1: COMO EXPLICAR A ESTABILIDADE NUCLEAR?
O méson π (hoje conhecido como píon) é uma partícula que foi proposta, em 1935, pelo japonês Hideki Yukawa (1907-1981) e detectado pelo brasileiro César Lattes (1924-2005) duas vezes. A primeira detecção de mésons π, oriundos dos raios cósmicos, foi em 1947, no monte Chacaltaya (5 000 m de altitude) na Bolívia. Em 1948, ocorreu a segunda detecção de píons, produzidos artificialmente no acelerador de partículas sincro-ciclotron da Universidade da Califórnia, envolvendo a cooperação de Lattes com Eugene Gardner (1901-1986), em Berkeley, nos Estados Unidos da América. Mas o píon foi proposto pelo japonês para que? Após mais algumas linhas você vai entender o problema enfrentado por Yukawae por vários outros cientistas da época, que o conduziu ao píon.
O núcleo do átomo é um caroço de matéria duro, dez mil vezes menor do que o átomo, que teve sua existência comprovada experimentalmente, em 1909, por Ernest Rutherford (1871-1937). Em 1932, James Chadwick descobre os nêutrons que passam a compor o núcleo atômico juntamente com os prótons. Os prótons possuem carga elétrica positiva e se repelem. Os nêutrons não possuem carga elétrica, portanto
não podem se atrair eletricamente para equilibrar a repulsão dos prótons.Então, devido à força de repulsão os prótons se afastariam e núcleo não existiria. Mas Rutherford mostrou que o caroço duro existe! E agora?!
A interação eletromagnética não serviu para explicar a existência do núcleo atômico. Será que a interação gravitacional daria conta de explicar a existência desse caroço duro? Vejamos, a massa de repouso de um próton é mp= 1,672085×10-27 kg e a massa do nêutron mn=1,674376×10-27 kg. Elas são massas extremamente pequenas. A interação gravitacional é uma atração entre massas e como os núcleons possuem massa, eles se atraem. Então, essa atração poderia contrabalancear a repulsão entre os prótons e a existência do núcleo atômico estaria explicada, certo?
Certo. Mas essa história não acaba assim!
O efeito da interação gravitacional é significativo quando pelo menos uma das massas envolvidas na interação é grande. Por exemplo, a queda de um lápis abandonado de nossa mão é justificada devido à interação gravitacional dele com o planeta Terra. O efeito dessa interação é percebido porque a massa do nosso planeta é grande, mesmo sendo reduzida a massa do outro corpo (o lápis). Então, como as massas dos núcleons são muito pequenas, a interação gravitacional não tem intensidade suficiente para superar a força de repulsão entre os prótons e mantê-los unidos aos nêutrons, formando o núcleo atômico. Essa interação também não serve para explicar a existência do núcleo.
A interação entre prótons e nêutrons no núcleo atômico não é como um abraço entre duas pessoas. Entretanto, utilizando a cena de um abraço podemos compreender mais as interações no núcleo. Então, imagine a cena de um abraço entre duas pessoas. Existem pessoas que não gostam de abraço e tentam afastar aqueles que ameaçam abraçá-las, se essa atitude prevalecer o abraço não acontece. A atitude de afastar o outro é semelhante a repulsão que acontece entre dois prótons.
Todavia, no núcleo atômico os núcleons são mantidos unidos independentemente da repulsão entre os prótons. Isso significa que deve existir entre eles uma interação atrativa, que supera a repulsão coulombiana. Comparando com a cena de um abraço, a interação entre dois prótons no núcleo seria semelhante ao encontro entre uma pessoa que gosta muito de abraçar e outra que detesta abraço. A interação atrativa é representada pela primeira pessoa e a interação repulsiva pela segunda pessoa. O abraço acontece porque a pessoa que gosta de abraçar agarra a outra com a maior intensidade possível e supera a tentativa da outra de afastá-la.
Um abraço só pode ocorrer quando a distância entre as pessoas é no mínimo igual ao comprimento dos braços de uma delas. Então, a distância entre os núcleons é um fator importante para que eles fiquem grudadinhos no núcleo? E as interações entre dois nêutrons e entre um nêutron e um próton, como seriam explicadas utilizando a analogia do abraço? Qual é a interação atrativa, equivalente à força da pessoa que gosta de abraçar, necessária para manter os núcleons unidos? A interação gravitacional não serve como candidata para esse posto. Vê-se que nenhuma das interações mencionadas anteriormente, a gravitacional e a eletromagnética, justificam a existência de núcleos atômicos estáveis, ou seja, núcleos nos quais prótons e nêutrons se mantêm unidos formando um caroço duro e coeso, mesmo havendo a repulsão elétrica entre os prótons.
A interação entre duas pessoas em um abraço é simples de ser explicada utilizando a força muscular. Acontece que núcleos estáveis tais como o deutério, o Hélio-3, o Hélio-4 e o Ferro-56, existem na natureza, mas a ciência não tinha
explicação para esse fato. Em outras palavras, a interação necessária para manter o núcleo atômico coeso não era conhecida, todavia os núcleos existiam. Entendeu o problema que o japonês tentava resolver?
AVALIAÇÃO DOS CONHECIMENTOS PRÉVIOS PROBLEMATIZAÇÃO INICIAL
O Hélio-3 e o Hélio-4 são átomos que possuem núcleos estáveis, ou seja, seus núcleos possuem prótons e os nêutrons firmemente ligados de alguma maneira, apesar da força de repulsão entre os prótons, que tende a desfazer o núcleo. Dessa forma, esses núcleos não se desintegram e se apresentam como caroços duros, extremamente pequenos, considerando as dimensões atômicas, que contém quase toda a massa desses átomos. Como você explicaria, utilizando os seus conhecimentos, essa união intensa entre prótons e nêutrons no núcleo atômico?
QUESTIONÁRIO INICIAL
A análise do gráfico abaixo pode contribuir para a construção de uma resposta da problematização acima. Esse gráfico mostra o comportamento da energia de ligação por núcleon (E/A) em função da quantidade de núcleons (prótons e nêutrons) presentes no núcleo dos elementos. São informações experimentais.
Fonte: http://coral.ufsm.br/gef/Cadernos/FisiNuc.pdf
Informação importante para a análise do gráfico: o núcleo do deutério (12H ) possui um próton e um nêutron; o Hélio-3 (23He) possui no núcleo dois prótons e um nêutron e o hélio-4 (24He) possui no núcleo dois prótons e dois nêutrons.
Observe-o com atenção e responda as perguntas que seguem:
1. Qual é o valor aproximado das energias de ligação do 2H, 3He e do 4He, em Mev?
Explique com suas palavras, o que é energia de ligação?
2. Os prótons e os nêutrons são tratados como núcleons, no texto 1 essa nomenclatura é utilizada, como se eles não fossem distintos. O que você entende sobre isso?
3. Verifique no gráfico que ocorre um grande aumento da energia de ligação do Hélio- 4 e do Hélio-3 em relação ao deutério. Como você entende esse aumento?
4. Os cientistas buscavam uma explicação para a estabilidade do núcleo atômico, o gráfico acima mostra os valores da energia de ligação por núcleon de alguns elementos químicos. Você consegue estabelecer alguma relação entre energia de ligação e a estabilidade nuclear? Com base na sua relação, qual é o elemento mais estável mostrado no gráfico?
5. Observe, atentamente, no gráfico que os valores das energias de ligação aumentam junto com a quantidade de núcleons até as proximidades do número de massa (A) igual a 60. Vê-se que a partir desse valor (A=60) a curva sofre uma suave queda, indicando um decréscimo do valor da energia ligação daí em diante. Você tem alguma ideia que possa explicar esse fato? Será que esse fato está relacionado à característica de uma possível interação desconhecida?
6. O texto 1, lido anteriormente, afirma que as interações eletromagnética e gravitacional não conseguem justificar a estabilidade nuclear. No entanto, o gráfico mostra alguns elementos que possuem núcleos estáveis e entre eles o deutério.
Então, o que mantém um próton ligado com um nêutron no núcleo do deutério?
7. Um átomo é um sistema ligado. O que você entende sobre essa afirmação?
8. Na Física de Partículas e em outras áreas da Física a palavra interação é utilizada com muita frequência. Nesse contexto, o que significa interação para você?